支持多維度力學性能測試的三軸加載機開發(fā)

潘志彬+朱琳+戴鳳強+聶成

摘 要：為了實現(xiàn)對大型結(jié)構(gòu)件的多維度力學性能測試，設(shè)計了一種三軸加載機?；谠O(shè)計的力封閉體機械結(jié)構(gòu)平臺，研究了“PLC+液壓系統(tǒng)+傳感器”的控制模式，給出了三軸多維度加載的實現(xiàn)方法。通過探討液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方案，實現(xiàn)了加載軸平穩(wěn)無沖擊的運動。以O(shè)PC作為上位機LabVIEW人機界面和下位機PLC控制程序的連接通道，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與分析的功能。測試結(jié)果表明，開發(fā)的三軸加載機運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足對結(jié)構(gòu)件進行全方位力學性能測試的要求。

關(guān)鍵詞：多維度；三軸加載機；液壓；PLC控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.260

0 引言

在現(xiàn)代科研和生產(chǎn)中，力模擬加載試驗是產(chǎn)品開發(fā)中非常重要的環(huán)節(jié)。產(chǎn)品力學性能如剛度、強度等的好壞直接決定產(chǎn)品研制成功與否，甚至影響到產(chǎn)品的使用期限和穩(wěn)定安全性能。加載試驗機是一種常用的模擬加載試驗臺，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，有力學性能綜合測試平臺、負載模擬器、振動臺、機構(gòu)疲勞試驗系統(tǒng)等[1]。但是現(xiàn)有的加載試驗機存在以下一些問題：①設(shè)備體積小、重量輕、承載能力不高，通常只適用于小型構(gòu)件；②只有一個或兩個方向上的加載力，力學性能測試不全面，測試結(jié)果不可靠。對于一些工作載荷復雜的大型疲勞結(jié)構(gòu)件，普通試驗臺因為自身承載力的限制難以對其進行多維度、全方位的力學性能試驗[2]。

先后有學者采用不同的技術(shù)方法對此進行了研究。文獻[3]采用驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種多功能力學性能測試試驗機，由于需要在測試物料上安裝傳感檢測片，測試數(shù)據(jù)受環(huán)境因素的影響較大；文獻[4]給出了多維力加載試驗臺液壓系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)件的疲勞試驗和力矩分析的功能。文獻[5]探討了基于PLC的比例控制液壓加載系統(tǒng)的開發(fā)，將PLC與電液比例控制系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)對壓力、流量等參數(shù)的控制。

本文根據(jù)模擬加載試驗臺的功能特點和測試需求，設(shè)計了一種支持多維度力學性能測試的三軸加載機。建立機械結(jié)構(gòu)平臺，分析液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，給出PLC程序的編寫方法，通過OPC通道實現(xiàn)LabVIEW與PLC的數(shù)據(jù)交互。開發(fā)的三軸加載機為結(jié)構(gòu)件力學性能測試提供了一種解決方案。

1 機械結(jié)構(gòu)平臺設(shè)計

為實現(xiàn)空間三方向可控力加載，建立如圖1所示的三軸加載機平臺系統(tǒng)。圖中1t加載軸為多維度加載裝置，安裝在移動框架橫梁下方，其本體安裝在圓立柱上，相對移動框架橫梁可作Y方向的移動，亦可隨移動框架橫梁作X方向的移動，相對圓立柱可作上下移動，加載軸的方向可以360度旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)任意方向的加載。10t軸為垂直加載裝置，安裝在移動框架橫梁下方，同樣可做X或Y方向的移動，靈活改變工作平臺的測試范圍。30t軸為水平加載裝置，固定在反力墻上，反力墻上有預(yù)設(shè)的螺紋孔，通過調(diào)整水平加載裝置在反力墻上的位置，可以適應(yīng)不同形狀位置各異的試件。

平臺中移動框架橫梁與固定橫梁通過移動連接座固連在一起，使用特殊設(shè)計的碟形彈簧滾動機構(gòu)，可以方便快捷地調(diào)整移動框架橫梁相對固定橫梁的位置，同時帶動1t和10t加載軸移動。而且基礎(chǔ)承臺、框架立柱、反力墻、移動框架橫梁、固定橫梁等構(gòu)成了一個力封閉體，具有對大型結(jié)構(gòu)件的承載能力，同時確保加載油缸施加較大壓力時試驗臺自身保持足夠的剛度和強度，提高對結(jié)構(gòu)件進行測試時的準確可靠性。

在每個加載油缸前端，串聯(lián)了一個拉壓力傳感器，測試加載力的值。在每個加載油缸的另一端活塞桿上，連接一個位移傳感器，加載測試時與力傳感器一起運用，可以得到在不同加載力下測試件發(fā)生的形變位移量。通過操作臺控制三軸的運動，依次完成使能、預(yù)緊、加載、后退等動作。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液壓系統(tǒng)加載分析

三軸加載機的負載力通過液壓缸有桿腔與無桿腔間的壓力差來提供。由于加載試驗要求給測試件提供軸向壓力，因此需無桿腔壓力高于有桿腔的壓力。當加載力較高時，會導致系統(tǒng)壓力偏大，為降低工作壓力，將液壓缸有桿腔的油直接回油箱，因而當壓力差一定時，可以將無桿腔的壓力降到最小。在加載過程中，液壓缸會持續(xù)受到軸向位移擾動的影響，設(shè)計時選用電磁比例減壓閥來提高控制加載力的精度。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)計了如圖2所示的三軸加載機液壓系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)中3個方向的加載軸分別通過3個三位四通E型電磁閥實現(xiàn)前進和后退動作。1t軸最大加載力10KN，10t軸最大加載力100KN，30t軸最大加載力300KN，并能長時間持續(xù)加載，液壓系統(tǒng)的具體操作如下：

（1）供電前需調(diào)整好安全閥和溢流閥等的閥口開度大小，加載時安全閥調(diào)定系統(tǒng)最大壓力。油箱中設(shè)有過濾器和冷卻裝置，能夠保證液壓油在正常工作溫度范圍內(nèi)以及液壓油的純凈度。

（2）變量葉片泵從油箱中汲取液壓油，經(jīng)過單向閥，如果此時的油壓超過安全油壓，溢流閥打開，高于系統(tǒng)壓力的液壓油流回油箱，起到保護回路的作用。在安全油壓范圍內(nèi)的液壓油順利通過設(shè)定有一定開度的電磁比例減壓閥。當系統(tǒng)處于加載狀態(tài)時，三位四通換向閥T1得電，液壓油通過T1油路進入無桿腔，驅(qū)動30t軸活塞桿進行加載，有桿腔中的液壓油被壓縮后，通過另外的油路回流到油箱。當系統(tǒng)處于卸載狀態(tài)時，液壓油進入有桿腔進行卸載。當系統(tǒng)處于松載狀態(tài)時，三位四通換向閥處于中位。1t和10t軸的加載與卸載過程與此相同。

（3）系統(tǒng)中的電磁比例減壓閥和其配套的放大器共同組成加載力的反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)定的電阻，電磁比例減壓閥內(nèi)部的電磁鐵移動相應(yīng)的位移，進而提供和需要的加載力對應(yīng)的閥口開度大小，內(nèi)部具有反饋回路，能夠保證加載力的精度。

（4）系統(tǒng)設(shè)置了壓力檢測裝置，在泵口和液壓缸入口安裝耐震壓力表，操作人員可以通過壓力表觀察系統(tǒng)的壓力，保證系統(tǒng)正常的工作油壓。

3 測控系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 測控系統(tǒng)分析

三軸加載機的執(zhí)行元件為3個方向的液壓活塞桿；控制元件選用三菱FX3U-64MT型號PLC；下位機控制程序采用GX-developer軟件進行編寫；上位機的人機交互界面測控程序采用LabVIEW編寫；使用具有標準驅(qū)動的OPC作為上位機LabVIEW與下位機PLC的通訊連接通道[6]。

3.2 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)需控制的運動量包括油泵電機的啟停、電磁換向閥的啟停、電磁比例減壓閥的啟停、放大器的電阻大小、繼電器的通斷。需要檢測的量包括3個加載軸上的位移傳感器和壓力傳感器數(shù)據(jù)，圖3為控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

上位機使用通信線纜與PLC建立連接，采集傳感器的數(shù)據(jù)信息，并且下發(fā)控制命令，使得3個加載軸按照設(shè)定的程序運動。用戶通過操作臺上的按鈕控制三軸加載機的實時運動。因此，PLC的輸入信號源有兩個，一個是上位機的控制軟件，通過編程線傳輸指令控制PLC的輸出；另一個是電氣操作臺控制面板，通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)和按鈕提供開關(guān)信號。

3.3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

模擬量讀取程序。在GX-developer軟件平臺上編寫PLC控制程序，下文主要分析模擬量讀取程序。三軸加載機主要測量3個方向上的加載力和變形量，需要測量3個壓力值、3個位移值，共6個變量。由于傳感器采集的信號是電壓或電流等模擬量，因此系統(tǒng)中采用特殊擴展模塊FX2N-2AD/4AD進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中FX2N-2AD的CH1、CH2接口分別連接10t軸、30t軸的壓力信號，F(xiàn)X2N-4AD的CH1、CH2、CH3、CH4接口分別連接30t軸、10t軸、1t軸的位移信號以及1t軸的壓力信號。FX2N-2AD模擬量讀取程序設(shè)計如圖4所示，F(xiàn)X2N-4AD讀取程序的設(shè)計思想大致相同，需要根據(jù)對應(yīng)的說明書進行編程。

經(jīng)過FX2N-2AD/4AD模塊A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)信號傳輸至PLC。由于采用OPC通道實現(xiàn)LabVIEW與PLC的數(shù)據(jù)交互，而OPC中軟元件屬性里面有自帶的數(shù)據(jù)比例轉(zhuǎn)換功能，因此在位移和壓力測量程序設(shè)計時，在OPC中進行有關(guān)數(shù)據(jù)的比例轉(zhuǎn)換，以縮短PLC程序的掃描周期。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

利用LabVIEW軟件平臺和OPC通道設(shè)計了如圖5所示的人機交互界面，主要包括三部分：加載功能設(shè)定區(qū)、數(shù)據(jù)采集區(qū)、數(shù)據(jù)實時顯示區(qū)。利用界面間的連接技術(shù)，設(shè)計主界面連接各功能模塊的子界面，點擊功能按鈕，即可彈出需要的功能設(shè)置界面，用戶可以在子界面中進行需要的操作，并通過返回按鈕返回主界面。

先打開人機交互界面的主界面，確保通訊正常，通過子界面分別設(shè)置零漂值、加載保護以及參數(shù)補償?shù)葏?shù)。然后，使用操作臺控制三個加載軸的預(yù)緊、前進、后退等工序。從人機交互界面顯示的實時變化曲線，可以得知當前的壓力值與試件的形變值，數(shù)值可以實時記錄與保存，進而實現(xiàn)對物料進行力學性能測試。系統(tǒng)測試表明，加載力精度為0.2～0.5%F.S，PLC程序掃描周期為11ms，上位機人機交互程序的數(shù)據(jù)采集周期為95ms，設(shè)計的支持多維度力學性能測試的三軸加載機是穩(wěn)定可行的。

5 結(jié)束語

本文首先搭建了多維度三軸加載機的機械機構(gòu)平臺，其次給出了使用三位四通電磁換向閥驅(qū)動加載軸運動的液壓系統(tǒng)設(shè)計。然后根據(jù)三軸加載機的測控需求，編寫了下位機PLC控制程序，同時使用LabVIEW編寫上位機測控程序。通過OPC通道建立PLC和LabVIEW的通訊連接，利用界面間的連接技術(shù)，實現(xiàn)三軸加載機的邏輯控制和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集、存儲及分析。本文工作為促進多維度三軸加載機在結(jié)構(gòu)件尤其是大型結(jié)構(gòu)件的力學性能測試中的廣泛應(yīng)用提供了參考。

參考文獻：

[1]王劍波.基于虛擬儀器的模擬加載測試系統(tǒng)設(shè)計[D].南京：南京理工大學，2012.

[2]王平.軸向伺服加載試驗系統(tǒng)設(shè)計及研究[D].杭州：浙江大學， 2012.

[3]浙江工業(yè)大學.多功能力學性能測試試驗機：201410244486.3[P]. 2014，09（24）.

[4]梁來雨，李維嘉.多維力加載試驗臺液壓系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動，2011（01）：53-55.

[5]賈光政，孟祥偉，張富臣等.基于PLC的比例控制液壓加載系統(tǒng)[J].液壓與氣動，2010（07）：14-16.

[6]林獻坤，朱琳，高禮剛.基于LabVIEW和OPC的三軸加載機測控系統(tǒng)開發(fā)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015（05）：59-61.